Synthese und Charakterisierung von Halbleiter- und Metall-Nanopartikeln und deren Selbstassemblierung in 3-dimensionale Netzwerkstrukturen

Abstract

Aus CdTe- und Edelmetallnanopartikeln werden 3-dimensionale Netzwerkstrukturen aufgebaut, welche durch einen überkritischen Trocknungsprozess zu hochporösen, weitverzweigten Halbleiter-Metall-Nanokompositen, sogenannten Aerogelen, umgewandelt werden. Zunächst werden Thiol-stabilisierte CdTe- und Edelmetallnanopartikel im wässrigen Milieu hergestellt und deren Morphologie und optischen Eigenschaften umfangreich mittels UV-Vis-Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und -lebensdauermessung, ICP-OES, TEM, STEM-EDX und AFM charakterisiert. Als Metallkomponente kamen Gold-, Palladium- sowie bimetallisch gemischte Gold-Palladium-Nanopartikel zum Einsatz. Die Gelierung der Nanopartikellösungen erfolgt durch Vermischen der Kolloide und anschließender kontrollierter Destabilisierung mithilfe einer Xe-Dampflampe oder der Zugabe von Wasserstoffperoxid. Neben einer mechanistischen Beschreibung der Gelbildungsmethoden wurden die resultierenden Hydrogele und die aus der überkritischen Trocknung erhaltenen Aerogele bezüglich Zusammensetzung, Morphologie und optischen Eigenschaften mithilfe von TEM und REM jeweils gekoppelt mit EDX-Analyse, Stickstoff-Porosimetrie, diffuser Reflexionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und Fluoreszenzlebensdauermessungen untersucht. Weiterhin wird die UV-Vis-Spektroskopie als Methode zur Konzentrationsbestimmung von Gold in Lösungen kolloidaler Gold-Nanopartikel validiert. Dabei wird die Absorption der Kolloide bei einer Wellenlänge von 400 nm als Maß verwendet. Die NP-Lösungen werden anhand der Parameter Partikelgröße, Oberflächenfunktionalität und der Oxidationsstufe des enthaltenen Goldes variiert.

3-dimensional network structures are formed combining CdTe and noble metal nanoparticles. A supercritical drying process allows production of highly porous and widely branched semiconductor-metal nanohybrids, so-called aerogels. Primarily, thiol-capped CdTe and noble metal nanoparticles are synthesized in aqueous media and their morphology and optical properties are studied extensively using UV-Vis and fluorescence spectroscopy, time-resolved fluorescence spectroscopy, ICP-OES, TEM, STEM-EDX and AFM. The metal entity involves gold and palladium nanoparticles as well as bimetallic mixed Au/Pd nanoparticles. After mixing of the different colloids gelation is induced by a controlled destabilization process using a Xenon lamp irradiation or the addition of hydrogen peroxide. Gelation techniques are described mechanistically. Resulting hydrogels and aerogels which are obtained by supercritical drying approach are characterized concerning composition, morphology and optical properties using TEM and SEM each coupled with EDX, nitrogen porosimetry, diffuse reflection spectroscopy, fluorescence spectroscopy and time-resolved fluorescence spectroscopy. Moreover, the UV-Vis spectroscopy is validated as a method to determine the gold concentration in gold nanoparticle solutions using the colloids absorbance at 400 nm as a measure. Gold nanoparticle solutions are varied concerning the parameters particle size, surface functionality and oxidation state of contained gold.